태양빛을 전기로 쓰려는 노력은 오래전부터 이어졌다. 태양전지는 지속가능한 에너지를 얻을 수 있다는 장점에도 불구하고 효율성 등이 단점으로 지적되어 왔다. 이런 상황 속에서 글로벌 기업과 연구진들은 태양전지 고효율화를 목표로 다양한 시도를 이어가고 있다. 이들은 차세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 태양전지, 탠덤 태양전지 등 연구·개발에 박차를 가하고 있다. 

◇ 지속가능한 에너지...빛에서 찾는다

탄소중립을 위해서는 무해하고 지속가능한 에너지원이 필요하다. 세계 각국이 신재생에너지에 주목하는 이유다. 그 중에서도 태양전지 기술은 태양의 빛을 활용해 전기를 생산하는 기술로, 무해하고 무한하게 에너지를 생산할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

태양전지는 말 그대로 태양의 빛에너지를 전기로 바꾸는 발전기구다. 태양광 에너지라면 많은 사람이 태양광 패널을 떠올린다. 하지만 태양광 패널은 여러 개의 태양전지가 집합된 형태다. 쉽게 말하면 태양광 패널을 구성하는 하나의 작은 전지가 태양전지다.

태양전지는 환원제와 산화제를 활용해 전자를 이동시켜 에너지를 얻는 일반 전지와 다르게 화학작용으로 에너지를 얻는다. 태양전지는 반도체에 빛을 비추면 표면에 기전력이 발생하는 ‘광기전 효과’를 이용한다. 반도체에 입사된 빛은 전자(-)와 정공(+)을 만들고, 전자와 정공이 반대방향으로 움직이며 양쪽 물질에 광기전력이 발생하는 원리다.

태양전지는 내부의 전기적 성질이 각기 다른 P형 반도체와 N형 반도체의 접합으로 구성된다. 해당 반도체들은 전자와 정공의 움직임을 제어하며, 전자와 정공을 이동시킨다. 전자가 풍부한 N형 반도체 부문에 빛을 쬐어주면 전자는 P형 반도체로 이동시키는데 이때 발생하는 전류를 에니지로 이용하는 것이다.

태양전지는 무한하게 에너지를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 모듈과 인버터를 이용해 빛을 직접 전기로 바꿀 수 있어 발전기가 필요없으며 소형으로 제작할 수 있다. 소음과 진동도 적으며, 완전 고형전지로 부식성 화학물이 첨가돼 있지 않아 수명이 20년 이상으로 길다. 

하지만 단점도 존재한다. 현재까지 제조비용이 많이 들며, 기상과 일조량에 따라 생산량이 달라진다. 더 많은 전기를 생산하기 위해서는 태양전지의 크기와 성능을 키우거나 더 많은 태양전지를 설치해야한다. 이에 따른 산림 파괴 등의 문제도 태양전지의 단점으로 꼽히고 있다.

◇ 단점 보완한 차세대 태양전지는?

결국 태양광을 청정에너지로 활용하기 위해서는 태양전지의 단점을 보완해야한다. 현재까지 시중에서 판매되는 태양전지는 1세대 태양전지로 불리는 실리콘 태양전지로, 현재 시장의 약 90%를 차지하고 있다. 이어 CdTe(카드뮴 텔류라이드), CISG(구리 인듐 갈륨 셀레나이드) 등 화합물을 활용해 유연성을 키운 박막(thin film) 태양전지가 2세대 태양전지로 구분되고 있다.

해당 태양전지들의 효율은 약 10~15%에 불과하다. 이에 보다 더 저렴하고, 높은 효율을 가진 태양전지 개발을 위해 다양한 재료들이 연구되고 있다.

대표적인 것은 페로브스카이트 구조를 가진 유·무기 하이브리드 물질을 광활성층으로 활용한‘페로브스카이트 태양전지’다. ‘페로브스카이트’는 부도체·반도체·도체의 성질과 초전도 현상을 보이는 화합물 결정이다. 페로브스카이트 태양전지는 소재 특성상 동일한 페로브스카이트 결정구조에서 다양한 조성으로 합성할 수 있다. 조성에 따라 효율을 극대화할 수 있는 것이다.

페로브스카이트 태양전지는 지속적인 연구로 인해 광전도 효율을 25%까지 높였으나 수분과 열에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 단점이 존재한다. 이를 해결하기 위한 노력이 우리나라를 비롯, 미국, 독일 등에서 이어지고 있다.

페로브스카이트 태양전지 외에도 상하부에 두 개의 태양전지를 설치, 상하부에서 흡수하는 에너지를 극대화해 효율을 높이는 ‘탠덤 태양전지’, TOPCon, 이종접합 태양전지 등 기존 태양전지 대비 효율을 높인 고효율 결정질 실리콘 기술이 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다.

◇ 교효율 태양전지를 확보를 위한 노력

이와 같은 고효율 태양전지를 확보하기 위한 노력은 세계 각국에서 계속되고 있다.

특히 미국 정부의 경우 지난 2020년 8월부터 페로브스카이트 태양전지 연구개발에 약 217억원을 지원할 것을 발표했으며, First Solar, NREL, Swift Solar 등의 주요 태양전지 연구기관 및 기업들로 ‘페로브스카이트 개발 컨소시엄(US-MAP)’을 구성·운영하고 있다.

우리나라 역시 보다 나은 태양전지 기술을 확보하기 위해 연구진과 산업계에서 노력이 이어지고 있다. 페로브스카이트 태양전지 분야를 지속적으로 연구하고 있는 한국화학연구원은 지난해 페로브스카이트 태양전지 효율을 25.2% 향상시키며 세계 최대 효율 기록을 경신하는 성과를 기록했다.

또한 한화솔루션의 태양광 부문인 한화큐셀은 지난해부터 성균관대, 고려대, 숙명여대, 충남대 등 8개 기관과 '페로브스카이트 기반의 탠덤 셀 개발을 위한 컨소시엄'을 구축하고 연구를 이어가고 있다. 해당 샐은 기존의 실리콘 태양광 셀 위에 페로브스카이트를 쌓아 만든 형태로, 이론 한계 효율은 44%에 달한다. 한화큐셀은 해당 셀 개발을 통해 차세대 태양광 시장을 선도할 수 있도록 노력한다는 방침이다.

한편 고효율 태양전지를 ‘2030 국가온실가스감축목표에 기여할 10대 미래유망기술’로 선정한 한국과학기술기획평가원은 “태양전지는 매년 전세계 설치량이 지속적으로 늘고 있으나 기존과 차별화된 혁신기술 개발을 통한 출력개선 및 제조 절감 등이 필요하다”며 “현재 전세계 시장을 주도하고 있는 결정질 실리콘 RERC 기술은 제한적 효율로 인해 시장점유율이 대폭 낮아질 것으로 예상되고, 고효율형 태양전지의 점유율이 높아질 것”이라고 예상했다.

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